JP2011033331A - タービン燃焼器用の燃料ノズル及びそれを形成する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】タービンエンジン用の燃料ノズルを提供する。
【解決手段】本燃料ノズル（２００）は、該燃料ノズルの外面の周りに配置された複数の半径方向に延びる燃料噴射器（２１０）に燃料を供給する一次燃料通路（２０８）を含む。二次燃料通路（２３２）が、一次燃料通路（２０８）の上流端部を該一次燃料通路の下流端部に結合する。二次燃料通路（２３２）は、一次燃料通路を通って流れる燃料における振動を減少させるのに役立つ共振器管として作用する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、タービンエンジンで使用する燃料ノズルの設計に関する。

一般的なタービンエンジンでは、燃焼器は、タービンエンジンの圧縮機セクションから加圧空気を受ける。燃焼器内において燃料が加圧空気と混合されかつこの燃料−空気混合気が次に、点火燃焼されて高温燃焼ガスを発生させる。高温燃焼ガスは、エンジンのタービン段に送られる。一般的に、複数の燃料ノズルが、燃焼器内で加圧空気の流れ内に燃料を送給するために使用される。

従来型の燃料ノズルは、その形状が円筒形であり、円筒形の外壁を備える。複数の半径方向に延びる燃料噴射器が、燃料ノズルの外壁の外周部の周りに取付けられる。少なくとも１つの燃料送給ポートが、燃料噴射器の各々上に形成される。

燃料送給管路が、燃料ノズルの上流端部に取付けられる。燃料は一般的に、燃料ノズルの内部に形成された環状形状の一次燃料通路内に送給される。一次燃料通路は、燃料噴射器に燃料を送給し、かつ燃料は、燃料噴射器の燃料送給ポートから噴出されて、燃料ノズルの長さに沿うように下方に流れる加圧空気と混合することができる。

燃料ノズルによって形成された燃料−空気混合気は次に、燃焼器内の位置における燃料ノズルの下流で点火燃焼される。高温燃焼ガスは次に、燃焼器からエンジンのタービンセクション内に送られる。

燃焼器内において、燃料−空気混合気における小さな振動が、火炎振動を引き起こす。火炎振動は次に、燃焼器の内部に圧力波を発生させる。圧力波は、燃料ノズルに逆戻りして移動して、燃焼器内への付加的燃料の送給において更なる振動を生じさせる。初めの振動とより多くの燃料の送給における更なる振動との間での相互作用は、相乗的（constructive）又は相殺的（destructive）となる可能性がある。相互作用が相乗的である場合には、振動が、互いに補強し合って、燃焼器内に大きな圧力振動を引き起こすおそれがある。

通常「燃焼ダイナミックス」と呼ばれる圧力波／振動は、燃焼器内に設置された要素を物理的に損傷させるのに充分なほど強力なものとなるおそれがある。間違いなく、これら圧力波／振動は、燃焼器の壁上に作用する機械的負荷を増大させる。これら圧力波／振動はまた、空気−燃料混合気の不完全な又は非効率的な燃焼を引き起こし、それにより、望ましくないＮＯｘエミッションを増加させるおそれがある。さらに、この振動は、逆火及び／又は消炎を引き起こすおそれがある。

１つの態様では、本発明は、タービンエンジン用の燃料ノズルとして具現化することができ、本燃料ノズルは、外壁と、外壁上に形成されかつその各々上に少なくとも１つの燃料送給ポートが形成された複数の半径方向に延びる燃料噴射器とを含む。本燃料ノズルは、外壁の内側に形成されかつ燃料噴射器に燃料を送給するように構成されたほぼ環状形状の一次燃料通路を含むことができる。本燃料ノズルはさらに、燃料ノズルの長手方向中心軸線に対して一次燃料通路よりも近接して設置された二次燃料通路を含むことができ、二次燃料通路は、一次燃料通路の第１の部分から燃料を受けかつ該燃料を該一次燃料通路の第２の部分内に戻すように送給する。

別の態様では、本発明は、タービンエンジン用の燃料ノズルとして具現化することができ、本燃料ノズルは、外壁と、外壁上に形成されかつその各々上に少なくとも１つの燃料送給ポートが形成された複数の半径方向に延びる燃料噴射器とを含む。本燃料ノズルはまた、該ノズルの長さに沿うように下方に延びる複数の一次燃料通路を含むことができ、一次燃料通路は、外壁の内表面に沿って配置され、また一次燃料通路は、燃料噴射器に燃料を送給する。本燃料ノズルはまた、複数の二次燃料通路を含むことができ、各二次燃料通路は、燃料ノズルの長手方向中心軸線に対して一次燃料通路よりも近接して設置され、また各二次燃料通路は、対応する一次燃料通路の第１の部分から燃料を受けかつ該燃料をその対応する一次燃料通路の第２の部分内に戻すように送給する。

さらに別の態様では、本発明は、タービンエンジン用の燃料ノズルを形成する方法として具現化することができ、本方法は、その各々上に少なくとも１つの燃料送給ポートが形成された複数の半径方向に延びる燃料噴射器を外壁上に形成するステップと、燃料噴射器の少なくとも１つに燃料を送給する少なくとも１つの一次燃料通路を外壁の内側に形成するステップとを含む。本方法はさらに、対応する一次燃料通路よりも燃料ノズルの長手方向中心軸線に対して近接して設置され、その各々が該対応する一次燃料通路の第１の部分から燃料を受けかつ該燃料を該対応する一次燃料通路の第２の部分内に戻すように送給する少なくとも１つの二次燃料通路を燃料ノズルの一部分に形成するステップを含むことができる。

一般的燃料ノズルの長手方向断面図。 二次燃料通路を含む別の燃料ノズル設計の長手方向断面図。 図２に示す燃料ノズルの断面図。 二次燃料通路を含む別の燃料ノズル設計の長手方向断面図。 燃料ノズルの別の実施形態の長手方向断面図。 燃料ノズルのさらに別の実施形態の長手方向断面図。 燃料ノズルのさらに別の実施形態の長手方向断面図。 燃料ノズルのさらに別の実施形態の長手方向断面図。 図８に示す燃料ノズルの断面図。 燃料ノズルのさらに別の実施形態の長手方向断面図。 燃料ノズルのさらに別の実施形態の長手方向断面図。

図１には、一般的な燃料ノズル設計の幾つかの要素を示している。この図に示すように、燃料ノズル１００は、外壁１０４を含む。外壁１０４の外周部の周りに、複数の半径方向に延びる燃料噴射器１１０が取付けられる。各燃料噴射器１１０の長さに沿って、１つ又はそれ以上の燃料ポート１１２が形成される。

燃料が、燃料供給管路から環状の一次燃料通路１０２内に送給される。燃料は、燃料ノズル１００の長さに沿って矢印１０８の方向に移動する。一次燃料通路１０２内の燃料は次に、外壁１０４内に形成されたアパーチャ１１４を通って各燃料噴射器１１０に流入する。燃料は、燃料ポート１１２の各々に送給され、燃料ポート１１２において、燃料は燃料噴射器から流出しかつ周囲の空気と混合する。一般的に、大量の加圧空気が、燃料噴射器の外壁に沿って流れており、かつ加圧空気もまた、矢印１０８と同一の方向に移動している。その結果、燃料噴射器１１０上の燃料ポート１１２から流出した燃料は、加圧空気と急速に混合さる。液体燃料の場合には、この燃料はまた、急速に気化しかつ周囲の加圧空気と混合されることになる。燃料−空気混合気は次に、それが燃焼する場所までノズルの下流方向にさらに移動することになる。

図１には具体的に示していないが、一般的な燃料ノズルはまた、該燃料ノズルの中心領域１２０に沿うように下方に延びる多くの付加的燃料通路を含むことができる。同様に、スワーラのような多くの付加的機構もまた、燃料ノズルの外壁１０４上に取付けることができる。本発明は、燃料噴射器１１０上の燃料ポート１１２に送給される燃料に焦点を当てているので、これらの燃料噴射器１１０が、図示した唯一の要素である。燃料ノズルの任意の特定の実施形態ではおそらく、図には示していない多くの付加的機構を含むことになることを理解されたい。

加えて、本出願の図に示した実施形態では、燃料ノズルは、その形状がほぼ円筒形である。しかしながら、本発明を具現化した燃料ノズルは、多くのその他の外面形状を有することができる。例えば、本発明を具現化した燃料ノズルは、卵形、方形、矩形又はその他の直線構成の断面形状を有することができる。

上述したように、図１に示すような燃料ノズルを燃焼器内に取付けた場合には、燃料ノズルは、振動及び圧力波を受けるか又は該振動及び圧力波に曝され、それにより、一次燃料通路１０２を通って流れる燃料内に対応する振動又は圧力波を誘起する可能性がある。

図２は、二次燃料通路を含む燃料ノズルを示している。図２に示すように、二次燃料ノズル２２４は、一次燃料通路２０２の内側に設置される。第１の連結通路２２３が、一次燃料通路２０２の上流端部を二次燃料通路２２４の上流側に結合する。さらに、下流連結通路２２６が、二次燃料通路２２４の下流端部を一次燃料通路２０２に結合する。その結果、燃料は、矢印２０８で示すように一次燃料通路に沿うように下方に流れることができ、また燃料はさらに、矢印２３０、２３２及び２３４で示すように二次燃料通路２２４を通って流れることができる。上述したように、燃料は次に、燃料噴射器２１０に送給されることになる。

図２に示す実施形態では、二次燃料通路２２４は基本的に、一次燃料通路２０２と同心である。同心の二次燃料通路２２４は、燃料ノズルの長手方向中心軸線に対して一次燃料通路２０２よりも近接して該燃料ノズルの内部に設置された内側壁２２０及び外側壁２２２によって形成される。

二次燃料通路２２４は、共振器管として作用するように構成される。二次燃料通路を適当な寸法を有するように形成した場合には、二次燃料通路２２４を設けることにより、燃料噴射器によって燃料流内に誘起される振動を減少させるか又は排除するように作用させることができる。このことは次に、燃焼チャンバ内での圧力振動及び燃焼器内での下流火炎における過渡振動を減少させることができる。火炎及び圧力振動を減少させることにより、タービンエンジンの効率を向上させ、望ましくないエミッションを減少させ、不意の逆火及び消炎を防止し、かつ燃焼器ハードウェアの寿命を延ばすことができる。

図３は、図２に示すノズル設計の断面図を示している。この図に示すように、一次燃料通路２０２は基本的に、外壁２０４と第１の円筒形内壁２０６との間に設置された環状空間である。二次燃料通路２２４は、内側円筒壁２２０と外側円筒壁２２２との間に形成される。

複数の半径方向に延びる連結通路２２３及び２２６が、一次燃料通路２０２を二次燃料通路２２４に結合する。図２及び図３に示す実施形態では、二次燃料通路の上流端部における８個の上流連結通路２２３及び下流端部における８個の下流連結通路２２６が設けられる。これら連結通路の位置は、半径方向に延びる燃料噴射器２１０の位置と一致させることができ、或いはこの連結通路は、意図的にそれらが燃料噴射器２１０の位置に対応しないように構成することができる。また、幾つかの実施形態では、一次燃料通路２０２と二次燃料通路２２４との間に様々な数の連結通路を形成することができる。さらに、一次及び二次燃料通路間に第１の数の上流連結通路を形成すると同時に、第２の異なる数の下流連結通路を形成することができる。

上述したように、二次燃料通路並びに上流及び下流連結通路の寸法及び構成は、燃料流における選択振動数の振動を減少させるように選択することができる。従って、設計者は、二次燃料通路及び連結通路の寸法及び構成を変更して、特定の振動数の振動を打消すか又は減少させるのに役立てることができる。

燃料ノズルを変更するか又は調整して、選択振動数の振動数を減少させるか又は排除する１つの方法は、二次燃料通路の長さを変更することである。図２は、二次燃料通路が、長さＬ１を有する第１の実施形態を示している。図４は、二次燃料通路が、図２に示す実施形態における二次燃料通路の長さＬ１よりも長い長さＬ２を有する燃料ノズルの別の実施形態を示している。設計者は、二次燃料通路の長さを選択的に変化させて、特定の特性を得るように燃料ノズルを調整することができる。

燃料ノズルが特定の特性を有することになるように該燃料ノズルを調整する別の方法は、二次燃料通路の形状を変更することである。図５は、下流連結通路２２６が、二次燃料通路２２４の中間部分を逆戻りして一次燃料通路２０２に結合した燃料ノズルの別の実施形態を示している。二次燃料通路のさらに下流部分２２７は、単に閉鎖されているだけであることに注目されたい。下流連結通路２２６と二次燃料通路２２４の下流端部との間の長さＸを変化させることによって、燃料ノズルが、特定の特性を備えるように該燃料ノズルを調整することができる。

図６には、図５に示す実施形態と同様である燃料ノズルのさらに別の実施形態を示している。この実施形態では、上流連結通路２２３は、一次燃料通路２０２を二次燃料通路２２４の中間部分に結合する。二次燃料通路２２４の付加的上流長さＹは、さらに上流に延びかつ閉鎖されている。この場合でも同様に、二次燃料通路２２４の形状及び寸法は、燃料ノズルに特定の特性を与えるように選択されることになる。

図７は、燃料ノズルが選択特性を備えるように該燃料ノズルを調整する別の方法を示している。図７に示す燃料ノズルでは、二次燃料通路２２４の厚さＴは、図５に示す実施形態の二次燃料通路２２４の厚さよりも厚い。図５及び図７に示すような実施形態の全てのその他の特性は、同一である。二次燃料通路の厚さを選択的に変化させることによって、振動を減少させる振動数を変更することができる。

図２〜図７に示す実施形態の各々では、一次燃料通路の内側及び外側壁は、二次燃料通路の内側及び外側壁から完全に分離している。図８は、単一の壁が、一次燃料通路の内側壁及び二次燃料通路の外側壁の両方を形成した実施形態を示している。

図８に示すように、一次燃料通路１０２の外側壁は依然として、燃料ノズルの外壁１０４によって形成される。一次燃料通路１０２の内側壁１０６はまた、二次燃料通路２４２の外側壁を形成する。一次及び二次燃料通路間の壁１０６におけるアパーチャは、二次燃料通路２４２が一次燃料通路１０２に連結されるのを可能にする。

幾つかの実施形態では、一次燃料通路１０２及び二次燃料通路２４２の両方は、燃料ノズルの外周部全体の周りに延びることになる。このことは、一次燃料通路及び二次燃料通路が、燃料ノズルの長さに沿うように下方に同心の環状通路を形成することを意味することになる。

さらに別の実施形態では、一次燃料通路及び二次燃料通路の両方は、燃料ノズルの内側面に沿うように下方に延びる複数の個々の通路として形成することができる。図９は、この形式の実施形態の断面図を示している。図９に示すように、４つの分離した一次燃料通路１０２が、外壁１０４の内周部の周りに間隔を置いて配置される。各一次燃料通路１０２は、燃料ノズルの長さに沿うように下方に延びる内側壁１０６によって形成される。さらに、各一次燃料通路１０２は、対応する二次燃料通路２４２に連結される。二次燃料通路２４２は、一次燃料通路１０２の内側壁１０６の外側面に取付けられた複数の内側壁２４０によって形成される。一次燃料通路１０２の内側壁１０６を貫通するアパーチャは、一次燃料通路１０２をその対応する二次燃料通路２４２に連結する。

図９に示す実施形態では、燃料ノズルの外周部の周りに間隔を置いて配置された全体で８個の燃料噴射器１１０が設けられている。加えて、各一次及び対応する二次燃料通路は、燃料噴射器１１０の２つに燃料を供給する。従って、全体で４個の一次燃料通路及び４個の対応する二次燃料通路が存在する。

別の実施形態では、異なる数の燃料噴射器１１０、一次燃料通路１０２及び二次燃料通路を設けることができる。例えば、各燃料噴射器１１０は、それ専用の個々の一次及び二次燃料通路によって燃料を供給することができる。それに代えて、単一の一次及び二次燃料通路が、２つ以上の燃料噴射器１１０に燃料を供給することができる。さらに、上述したように、二次燃料通路２４２の長さ及び構成は、選択特性を備えた燃料ノズルを得るように選択的に変化させることができる。

図１０には、燃料ノズルが選択特性を有するように該燃料ノズルを調整する別の方法を示している。この図に示すように、この実施形態では、二次燃料通路の長さに沿って全体で３個の連結通路が設けられている。上流連結通路が、一次燃料通路からの燃料を二次燃料通路内に流入させる。中間連結通路が、二次燃料通路の下流端部の近くに設置され、また最終下流連結通路が、二次燃料通路の下流端部における全ての燃料が一次燃料通路に戻されることを保証する。

さらに他の実施形態では、一次及び二次燃料通路間に設置した付加的連結通路又はアパーチャを設けて、燃料ノズルが特定の特性を有するように該燃料ノズルを調整することができる。

図１１は、燃料ノズルのさらに別の実施形態を示している。図１１に示すように、二次燃料通路２４２の下流端部は、閉鎖されており、また中間連結通路２５０が、二次燃料通路の中間部分を一次燃料通路１０２に結合する。この場合でも同様に、二次燃料通路の構成は、燃料ノズルに特定の特性を与えるように変更されている。

本発明のさらに別の実施形態では、一次又は二次燃料通路並びに／或いは連結通路は、弾性材料のような可撓性材料で形成した部分を含むことができる。弾性材料はさらに、燃料流における振動を減衰させるような働きをすることができる。

現時点で最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明が開示した実施形態に限定されるべきものではなく、逆に、特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な変更及び均等な構成を保護しようとするものであることを理解されたい。

１００ 燃料ノズル
１０２ 燃料通路
１０４ 外壁
１０６ 壁
１０８ 矢印
１１０ 燃料噴射器
１１２ 燃料ポート
１１４ 燃料通路
１２０ 中心領域
２００ 燃料ノズル
２０２ 燃料通路
２０４ 外壁
２０６ 内壁
２０８ 燃料通路
２１０ 燃料噴射器
２１４ 燃料通路
２２０ 内側円筒壁
２２２ 外側円筒壁
２２３ 第１の連結用通路
２２４ 二次燃料通路
２２６ 下流連結通路
２２７ 下流部分
２２８ 燃料通路の閉鎖部分
２４０ 内側壁
２４２ 二次燃料通路
２５０ 中間連結通路

Claims (9)

1. タービンエンジン用の燃料ノズルであって、当該燃料ノズルが、
   外壁と、
   前記外壁上に形成されかつその各々上に少なくとも１つの燃料送給ポートが形成された複数の半径方向に延びる燃料噴射器と、
   前記外壁の内側に形成されかつ前記燃料噴射器に燃料を送給するように構成された環状形状の一次燃料通路と、
   前記燃料ノズルの長手方向中心軸線に対して前記一次燃料通路よりも近接して設置された二次燃料通路と
   を備えており、前記二次燃料通路が前記一次燃料通路の第１の部分から燃料を受けかつ該燃料を該一次燃料通路の第２の部分内に戻すように送給する、燃料ノズル。
2. 前記二次燃料通路が環状形状である、請求項１記載の燃料ノズル。
3. 前記一次燃料通路及び二次燃料通路が同心である、請求項２記載の燃料ノズル。
4. 複数の半径方向に延びる連結通路が前記一次燃料通路及び二次燃料通路を連結する、請求項３記載の燃料ノズル。
5. 入口連結通路の組が前記一次燃料通路の第１の部分を前記二次燃料通路の上流端部に連結し、出口連結通路の組が前記一次燃料通路の第２の部分を前記二次燃料通路の下流端部に連結する、請求項４記載の燃料ノズル。
6. 入口連結通路の組が前記一次燃料通路の第１の部分を前記二次燃料通路の上流端部に連結し、出口連結通路の組が前記一次燃料通路の第２の部分を前記二次燃料通路の長さに沿った中間位置に連結する、請求項４記載の燃料ノズル。
7. 前記二次燃料通路の下流端部が閉鎖されている、請求項６記載の燃料ノズル。
8. 入口連結通路の組が前記一次燃料通路の第１の部分を前記二次燃料通路の長さに沿った中間位置に連結し、出口連結通路の組が前記一次燃料通路の第２の部分を前記二次燃料通路の下流端部に連結する、請求項４記載の燃料ノズル。
9. 前記二次燃料通路の上流端部が閉鎖されている、請求項８記載の燃料ノズル。

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